早強型環(huán)氧粘結劑性能與應用研究

雷宗建，武艷萍

(1.湖北省高速公路實業(yè)開發(fā)有限公司，武漢 430051；2.湖北公路智能養(yǎng)護科技股份有限公司，武漢 430051)

截至2020年12月，我國長江干流已建成各類公路長江大橋超過110座，其中超過80座是近20年建成且多為鋼橋，從“十四五”規(guī)劃來看，大跨徑橋梁的建設高峰仍在持續(xù)。根據鋼橋面鋪裝10～15年的使用壽命，我國大跨徑鋼橋面鋪裝的養(yǎng)護頂峰雖未到來，但養(yǎng)護規(guī)模已經開始迅猛增長。大跨徑橋梁通常位于交通要塞，頻繁的鋪裝層養(yǎng)護對交通影響很大，作業(yè)安全風險也很高[1]。如何安全、高效地進行鋼橋面鋪裝養(yǎng)護，成為大跨徑橋梁運營管理的新課題。

1 鋼橋面鋪裝養(yǎng)護要求

我國鋼橋面鋪裝經過多年發(fā)展，形成了以雙層EA、EA+SMA、GA+SMA、UHPC等為代表的典型鋪裝結構，很大程度上提高了鋪裝的耐久性和適應性[2]。由于大跨徑橋梁的交通樞紐特征，養(yǎng)護施工很難中斷交通，具有交通影響大、施工時間長、安全風險高、質量控制難的特點[3，4]。尤其是運營10年后，頻繁的養(yǎng)護維修引發(fā)交通擁堵造成了社會負面影響，這對現(xiàn)階段鋼橋面鋪裝的養(yǎng)護維修提出了更高的要求[5，6]。

1)快速開放交通：根據具體施工條件采用固化時間短、早期強度高的鋪裝結構和材料，優(yōu)化施工工藝，盡可能縮短養(yǎng)護時間。

2)使用壽命耐久：結合不同病害特征，采用合理、精細的養(yǎng)護方案，提高鋪裝層修復后的使用壽命。

3)節(jié)約養(yǎng)護成本：提高鋼橋面鋪裝層的養(yǎng)護維修施工質量，減少維修次數，降低養(yǎng)護維修周期成本。

4)施工更加便利：根據鋼橋面交通狀況、梁體結構、原有鋪裝層結構特點以及養(yǎng)護規(guī)模等，差異化選用單層或雙層鋪裝體系，合理簡化工藝。

2 早強型環(huán)氧粘結劑性能研究

選用自主研發(fā)的早強型環(huán)氧粘結劑，其由低分子量環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、環(huán)氧增韌劑、防流掛助劑和快速固化劑組成，具有防水和防腐的作用，易于噴涂施工，早期強度高，柔韌性好。

2.1 斷裂強度和斷裂伸長率

按照GB/T 528規(guī)定的啞鈴I型模具成型試件，在25 ℃條件下養(yǎng)生不同的時間，采用微機控制電子萬能試驗機測試試件的斷裂強度和斷裂伸長率，加載速率200 mm/min。測試結果如表1所示。

表1 斷裂強度和斷裂伸長率測試結果

結果表明，在25 ℃條件下，隨著養(yǎng)生時間的延長，斷裂強度逐漸增長，斷裂伸長率逐漸降低。分析認為，粘結強度未完全形成時，環(huán)氧基與固化劑分子基團的關聯(lián)作用未完全形成，外力作用下伸長性更好。7 d后該粘結劑的最終強度可達21.91 MPa，斷裂延伸率超過25%，柔韌性良好。

2.2 與鋼板間粘結強度

按照0.5 kg/m2的涂布量，將環(huán)氧粘結劑均勻涂覆在已噴砂除銹的鋼板上，使用UTM試驗機測試不同養(yǎng)生溫度和養(yǎng)生時間的試件粘結強度。試驗拉拔頭直徑為50 mm，測試溫度為25 ℃，測試了在25 ℃、60 ℃、100 ℃、120 ℃、160 ℃養(yǎng)生0.5 h和1 h的早期強度，在25 ℃養(yǎng)生1 d的強度增長規(guī)律，結果分別如表2和表3所示。

表2 不同養(yǎng)生溫度下的早期粘結強度測試結果

表3 25 ℃養(yǎng)生溫度下的全天強度增長規(guī)律

1)從早期粘結強度-養(yǎng)生溫度關系可以看出，隨著養(yǎng)生溫度的升高，粘結強度增長明顯加快，在60 ℃條件下養(yǎng)生0.5 h時即可達0.94 MPa，養(yǎng)生1 h時達到4.79 MPa。從25 ℃養(yǎng)生條件的強度形成規(guī)律可以看出，在25 ℃養(yǎng)生3 h的粘結強度達到2.21 MPa。

2)根據試驗結果可以推測，鋪裝層混合料的溫度可以加速該環(huán)氧粘結劑的強度形成。即使采用冷拌混合料攤鋪，3 h左右也可開放交通。使用熱拌混合料攤鋪后，通過熱傳遞能使粘結劑在100 ℃以上至少保持1 h，這種高溫條件有助于環(huán)氧反應形成三維網狀結構，讓環(huán)氧粘結劑短時間內快速固化，理論上1 h左右即可開放交通。

3 現(xiàn)場試驗研究

上述基于室內試驗結果表明，該環(huán)氧粘結劑能夠實現(xiàn)快速開放交通。為了進一步探究其應用效果，在武漢青山長江大橋施工現(xiàn)場，分別選用GA和SMA進行現(xiàn)場攤鋪試驗，測試瀝青混合料與鋼板間的強度效果。

3.1 拉拔粘結強度驗證

3.1.1 1 h拉拔粘結強度測試

在已處理好的鋼板表面按照0.5 kg/m2的用量均勻涂覆早強型環(huán)氧粘結劑，然后現(xiàn)場取樣立即進行GA和SMA的鋪裝。試件成型后放置在25 ℃條件下自然冷卻1 h后，測試GA和SMA與鋼板間的粘結強度，結果如表4所示。

表4 GA和SMA混合料鋪裝后25 ℃養(yǎng)生1 h粘結強度測試結果

GA混合料現(xiàn)場施工溫度在200 ℃以上，SMA混合料現(xiàn)場施工溫度在160 ℃以上，鋪裝后內部溫度很高，1 h后測得拉拔粘結強度分別為0.86 MPa和0.73 MPa，且斷裂面位于混合料內部，粘結層無破壞，說明粘結強度超過混合料的抗拉強度，滿足開放交通要求。

3.1.2 同養(yǎng)試件粘結強度測試

采用GA現(xiàn)場鋪裝成型粘結強度試件，在青山長江大橋現(xiàn)場進行同條件養(yǎng)生(室外溫度為5～10 ℃)，然后測試3 d、7 d和28 d的粘結強度和剪切強度，結果如表5所示。

表5 同養(yǎng)試件拉拔粘結強度測試結果

從測試結果可以看出：早強型環(huán)氧粘結劑與GA之間的3 d粘結強度均值為2.15 MPa，但7 d和28 d的粘結強度并沒有明顯增長，破壞面位于粘結劑與GA之間，環(huán)氧粘結劑與鋼板粘結仍然完好，即測得的7 d和28 d粘結強度實際為GA混凝土的抗拉強度?？傮w看，環(huán)氧粘結劑與鋼板間粘結牢固，層間粘結強度超過混合料的抗拉強度，能夠滿足使用要求。

3.2 直接剪切強度測試

將預先準備好的套筒套在直徑為100 mm的圓形鋼板上，現(xiàn)場取樣GA混合料倒入套筒內，如圖1所示，待其冷卻后取下套筒在青山長江大橋現(xiàn)場進行同條件養(yǎng)生(室外溫度為5～10 ℃)。使用UTM-100進行直接剪切強度測試如圖2所示，測試結果如表6所示。

表6 同養(yǎng)試件直接剪切強度測試結果

可以看出：在鋼板上涂覆早強型環(huán)氧粘結劑后，直接進行澆筑式瀝青混合料的攤鋪，養(yǎng)生3 d、7 d、28 d的直剪強度分別為1.35 MPa、1.56 MPa、2.07 MPa，直剪破壞面均位于GA內部，這說明早強型環(huán)氧粘結劑與澆筑式瀝青混合料間的實際粘結強度要高于測試數值。

4 結 論

a.基于快速養(yǎng)護需求研發(fā)的早強型環(huán)氧粘結劑在25 ℃條件下養(yǎng)生3 h的粘結強度可達2 MPa以上，在60 ℃條件下養(yǎng)生1 h的粘結強度可達4.5 MPa以上，7 d斷裂延伸率可達25%以上，具有早強、柔韌性好的特點。

b.室內試驗早強型環(huán)氧粘結劑的強度-溫度關系表明，養(yǎng)生溫度越高，強度形成越快。鑒于熱拌鋪裝層(SMA、GA等)鋪裝后，內部溫度至少能在80～100 ℃保持1 h以上，早強型環(huán)氧粘結劑的理論粘結強度可達4.5～8.0 MPa，足以滿足使用要求。

c.工程實踐證明，早強型環(huán)氧粘結劑涂刷后可立即攤鋪GA或SMA，攤鋪后1 h早期粘結強度分別為0.86 MPa、0.73 MPa，最終粘結強度和剪切強度也都超過混合料本身，且斷裂面位于混合料內部，這說明通車時間主要受制于混合料冷卻時間而非粘結劑養(yǎng)生時間，養(yǎng)護后能夠快速開放交通。